Beanspruchung von Betonfahrbahndecken aus lastunabhängigen Einwirkungen (Literaturstudie)

Diplomarbeit von Marc Zintel

Einleitung:

Ausgangssituation:

Beton ist ein geeigneter Baustoff im Straßenoberbau, wenn Fahrbahndecken dauerhaft höchsten Verkehrslasten widerstehen sollen und lange Nutzungsdauern gefordert werden. Fahrbahndecken aus Beton werden durch Verkehrslasten, Temperatur- und Feuchteänderungen beansprucht.

Sich einstellende Verformungen und Spannungen in einer Betonstraßendecke hängen im Wesentlichen von den mechanischen und betontechnologischen Kenngrößen, sowie den Randbedingungen aus Aufbau und Lagerung ab.

In Fahrbahndecken aus Beton, sind in den vergangenen Jahren vereinzelt Schäden festgestellt worden. Unabhängig von der Standzeit, bildeten sich zunehmend Oberflächenrisse (bevorzugt Längsrisse, vereinzelt Querrisse). Eine eindeutige Ursache konnte hierfür noch nicht gefunden werden. An Dünnschliffproben wurden raster-elektronenmikroskopische Untersuchungen durchgeführt, die teilweise Reaktionsprodukte einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) aufdeckten. Bei der AKR reagieren die Alkalien aus der Porenlösung mit alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen. Sie stellt eine Volumenexpansionsreaktion dar, die rissauslösende Spannungen im Gesteinskorn, sowie in der Zementsteinmatrix verursachen kann.

Ob eine AKR als Hauptursache für die aufgetretenen Schäden anzusehen ist, oder sie nur einen Beitrag zur Rissbildung liefert, ist noch nicht abschließend geklärt. Der Einfluss einer Vorbelastung des Betongefüges auf die AKR wurde bislang noch nicht berücksichtigt. Es ist davon auszugehen, dass die aufgetretenen Risse nicht allein durch eine AKR ausgelöst wurden, sondern Kombinationen und Interaktionen verschiedener lastabhängiger (Verkehrslasten), wie auch lastunabhängiger Mechanismen dafür verantwortlich sind.

Die von verschiedenen geometrischen Randbedingungen beeinflussten Einwirkungen und die sich daraus ergebenden Verformungen bzw. Spannungen einer Fahrbahnplatte sind in Abbildung 1 vereinfacht dargestellt. In dieser Abbildung ist der Längsschnitt einer, auf einer hydraulisch gebundenen Tragschicht (HGT) liegende, durch Fugen getrennte, zweischichtig ausgeführte Fahrbahnplatte abgebildet. Alle aufgezeigten Einflussgrößen sind in den Kontext einer Vorbelastung bezüglich einer möglichen AKR zu stellen (Abbildung 1: Schematische Darstellung der Einwirkungen und Verformungen einer Betonfahrbahnplatte).

Aufgabenstellung und Ziel der Arbeit:

Im Rahmen dieser Arbeit sollen anhand einer umfangreichen Literaturstudie bereits vorhandene Erkenntnisse über lastunabhängige Parameter, die zu Verformungs- und Spannungszuständen in Fahrbahndecken aus Beton beitragen, zusammengestellt und hinsichtlich ihres Zusammenwirkens bewertet werden. Dabei ist zu klären, inwieweit thermische und hygrische Beanspruchungen eine AKR begünstigen und beeinflussen. Die Diplomarbeit soll neben der Auswertung der vorhandenen Literatur, auch einen Vorschlag beinhalten, wie die aus der Literaturstudie gewonnenen Erkenntnisse anhand von Versuchen im Labor untersucht werden können.

Inhaltsverzeichnis:

1.	EINLEITUNG	1
1.1	AUSGANGSSITUATION	1
1.2	AUFGABENSTELLUNG UND ZIEL DER ARBEIT	2
2.	FAHRBAHNDECKEN AUS BETON	3
2.1	ENTWICKLUNG DES BETONSTRAßENBAUS	3
2.2	AUFBAU EINER BETONSTRAßE	5
2.3	KONSTRUKTIVE DURCHBILDUNG	7
2.3.1	Fugen	7
2.3.2	Dübel und Anker	7
2.4	BETONZUSAMMENSETZUNG	8
2.4.1	Allgemeines	8
2.4.2	Zement	9
2.4.3	Gesteinskörnung	10
2.4.4	Betonzusatzmittel	10
2.4.5	Betonzusatzstoffe	11
2.5	HERSTELLUNG	11
2.5.1	Allgemeines	11
2.5.2	Betontransport	12
2.5.3	Einbau	12
2.5.4	Oberflächenstrukturierung – Textur	13
2.5.5	Nachbehandlung	13
2.5.6	Fugenherstellung	13
3.	FRISCHBETONEIGENSCHAFTEN	14
3.1	HYDRATATION	14
3.1.1	Allgemein	14
3.1.2	Hydratationsverlauf	14
3.1.3	Hydratationswärme	16
3.1.4	Hydratationsgrad und Reifefunktion	16
3.2	GEFÜGE DES BETONS	17
3.2.1	Zementgel	17
3.2.2	Porenraum und Porenwasser	18
4.	FESTBETONEIGENSCHAFTEN	19
4.1	ENTWICKLUNG DER MECHANISCHEN EIGENSCHAFTEN	19
4.2	VERFORMUNGSBEHINDERUNG	20
4.2.1	Allgemeines	20
4.2.2	Innere Verformungsbehinderung	20
4.2.3	Äußere Verformungsbehinderung	21
4.3	THERMISCHES VERHALTEN	21
4.3.1	Allgemeines	21
4.3.2	Thermische Eigenschaften des Betons	22
4.3.2.1	Wärmedehnung	22
4.3.2.2	Wärmeleitung	22
4.3.2.3	Wärmespeicherung	22
4.3.2.4	Wärmeaustausch	22
4.4	HYGRISCHES VERHALTEN	23
4.4.1	Feuchtetransport	23
4.4.2	Schwinden und Quellen	23
4.5	KRIECHEN UND RELAXATION	25
4.5.1	Allgemeines	25
4.5.2	Kriechen	25
4.5.3	Relaxation	26
4.6	VERFORMUNGEN UND SPANNUNGSENTWICKLUNG	26
4.6.1	Thermische und hygrische Spannungsentwicklung	26
4.6.1.1	Zentrische Zwangspannung	27
4.6.1.2	Zwang und Eigenspannung	32
4.6.2	Verformungen und Spannungen von Betonfahrbahndecken	33
4.6.2.1	Allgemeines	33
4.6.2.2	Nullspannungstemperaturgradienten	33
4.6.2.3	Temperaturgradienten und Wölbspannungen	34
4.6.2.4	Feuchtegradienten	36
5.	PARAMETERSTUDIE ZU VERFORMUNGS- UND SPANNUNGSZUSTÄNDEN IN BETONFAHRBAHNDECKEN	37
5.1	ALLGEMEINES	37
5.2	EINFLUSS DER TEMPERATUR AUF DIE SPANNUNGEN IM BAUTEIL	37
5.2.1	Allgemeines	37
5.2.2	Haupteinflüsse aus der Betonzusammensetzung	38
5.2.2.1	Zement	38
5.2.2.2	Gesteinskörnung	40
5.2.3	Klimatische Einflüsse auf die Temperatur im Bauteil	41
5.2.3.1	Sonneneinstrahlung	41
5.2.3.2	Lufttemperatur	42
5.2.3.3	Luftfeuchte	43
5.2.3.4	Wind	45
5.2.3.5	Niederschlag	45
5.2.4	Einfluss der Nachbehandlung	46
5.2.5	Einflüsse aus Bauteilform, -aufbau und -lagerung	48
5.2.5.1	Sonderbauweisen	50
5.2.5.2	Bauteildicke	52
5.2.5.3	Lagerungsbedingungen	52
5.3	EINFLUSS DER FEUCHTE AUF DIE SPANNUNGEN IM BAUTEIL	54
5.3.1	Allgemeines	54
5.3.2	Haupteinflüsse aus der Betonzusammensetzung	58
5.3.2.1	Zement	58
5.3.2.2	Gesteinskörnung	59
5.3.3	Klimatische Einflüsse auf die Feuchte im Bauteil	61
5.3.4	Einfluss der Nachbehandlung	64
5.3.5	Einflüsse aus Bauteilform, -aufbau und -lagerung	66
5.3.5.1	Sonderbauweisen	66
5.3.5.2	Bauteildicke	68
5.3.5.3	Lagerungsbedingungen	69
5.4	ALKALI-KIESELSÄURE-REAKTION (AKR)	71
5.4.1	Allgemeines	71
5.4.2	Ursache und Wirkung der AKR	71
5.4.3	Einflussgrößen auf die AKR	75
5.4.3.1	Allgemeines	75
5.4.3.2	Zement	75
5.4.3.3	Besonderheiten von Gesteinskörnung, Zusatzstoffen und Zusatzmitteln	76
5.4.3.4	Klimatische Umgebungsbedingungen	77
5.4.3.5	Externe Alkalizufuhr	77
5.4.3.6	Lagerungsbedingungen	78
5.4.3.7	Fazit	79
5.5	VERKEHRSLAST	79
6.	ZUSAMMENWIRKUNG DER EINFLUSSPARAMETER HINSICHTLICH KRITISCHER VERFORMUNGS- BZW. SPANNUNGSZUSTÄNDE	80
6.1	ALLGEMEINES	80
6.2	KRITISCHE KOMBINATIONEN VON TEMPERATUR UND FEUCHTE	82
6.2.1	Allgemeines	82
6.2.2	Die ersten 24 Stunden (Anmachen und Erstarren)	82
6.2.3	Die Phase der Erhärtung	86
6.2.4	Zusammenfassung	87
6.3	THERMISCHE UND HYGRISCHE VORBELASTUNG DES BETONGEFÜGES UND DEREN AUSWIRKUNG AUF EINE MÖGLICHE AKR	88
7.	LABORUMSETZUNG ZUR UNTERSUCHUNG DES ZUSAMMENWIRKENS VON THERMISCHEN UND HYGRISCHEN VORBELASTUNGEN AUF DIE AKR	92
7.1	ZIEL	92
7.2	VORÜBERLEGUNGEN	92
7.3	KLIMATISCHE VERSUCHSBEDINGUNGEN	93
7.4	VERSUCHSAUFBAU	95
7.5	VERSUCHSABLAUFPLAN	97
8.	ZUSAMMENFASSUNG	100
9.	LITERATURVERZEICHNIS	102

Textprobe:

KAPITEL 3, FRISCHBETONEIGENSCHAFTEN:

3.1, Hydratation:

3.1.1, Allgemein:

Beton ist ein künstlicher Stein, der aus einem Gemisch von Zement, Gesteinskörnung und Wasser durch Erhärten des Zement-Wasser-Gemisches (Zementleim) entsteht. Der Hydratationsprozess führt zur Erhärtung des Betons.

Die Hydratation des Zements ist eine exotherme Reaktion, bei dem die Klinkerminerale des Zements mit dem Anmachwasser reagieren. Hierbei gehen sie von einem energiereicheren Zustand nach dem Brennen des Zements in einen stabileren, energieärmeren Zustand über. Die Zementhydratation stellt sich als komplexer Prozess von Hydrolyse- und Hydratationsvorgängen, sowie von Gel- und Kristallbildung dar. Bei diesem Prozess bilden sich nacheinander aus den Klinkerphasen die Hydratationsprodukte. Für das Erstarren des Betons ist besonders die Reaktion zwischen Tricalciumaluminat (C3A), Wasser und Calciumsulfat maßgebend, für das Erhärten dagegen die Hydratation der Calciumsilikate.

3.1.2, Hydratationsverlauf:

Nach dem Anmachen mit Wasser beginnt der Zement zu erstarren, um nachfolgend langsam zu erhärten. Der zeitliche Verlauf der Hydratation wird nach Locher et al. in drei Hydratationsstufen eingeteilt (siehe Abbildung 6: Schematische Darstellung der Bildung der Hydratphasen und der Gefügeentwicklung bei der Hydratation des Zements).

Stufe I: ‘Anmachen’ (bis etwa 1 Stunden nach Zugabe des Anmachwassers):

Durch das Anmachen von Zement und Wasser entsteht Zementleim. Dieser liegt bis etwa 1 Stunde nach Wasserzugabe als Suspension von Zementkörnern ohne Festigkeit vor. Schon in den ersten Minuten bilden sich geringe Mengen an Calciumhydroxid und auf Grund einer Reaktion des C3A mit Wasser und Gips, bildet sich Trisulfat (Ettringit).

Stufe II: ‘Erstarren’ (nach etwa 1 bis 4 Stunden):

Es bilden sich die typischen langfaserigen Calciumsilikathydrate (CSH), die zu-sammen mit einer stark fortschreitenden Ettringitbildung die einzelnen Zementkörner verbinden und den vorher noch flüssigen Zementleim ansteifen. Die faserigen Kristalle wachsen in die wassergefüllten Hohlräume zwischen den Zementpartikeln hinein und verfestigen dabei das Gefüge. Die Kristallform der CSH-Phasen ist vom zeitlichen Verlauf der Erstarrung abhängig. Tiefe Temperaturen oder eine verlangsamte Hydratation bewirken eine vollkommenere Kristallbildung und deswegen eine dichtere Packung der langfaserigen CSH-Kristalle, sowie eine höhere Endfestigkeit.

Stufe III: ‘Erhärtung’ (nach etwa 24 Stunden):

Das Erhärten kann bis zu mehreren Jahren andauern. Es werden vermehrt kurzfaserige CSH-Kristalle gebildet, sowie nach dem Verbrauch des Gipses, auch Calciumaluminathydrate und Calciumaluminatferrithydrate (C4AF). Sie füllen die restlichen Poren bzw. verkleinern sie. Der Abbau des in den ersten beiden Stufen entstandenen Trisulfats durch C3A bzw. C4AF zum Monosulfat setzt nach ca. 3 Tagen ein.

3.1.3, Hydratationswärme:

Die gesamte Hydratationswärmemenge, die bis zur vollständigen Hydratation des Zements freigesetzt wird, ist in hohem Maße von den Anteilen der Klinkerphasen im Zement abhängig. Je nach Zusammensetzung, kann es daher zu unterschiedlich hoher Freisetzung der Hydratationswärme kommen. Die Klinkerphasen Tricalciumsulfat (C3S) und Tricalciumaluminat (C3A) sind für einen Großteil der freigesetzten Hydratationswärme verantwortlich. Der Anteil des C3S beträgt im Schnitt ca. 65 % und der des C3A rund 10 %. Folglich führt ein kleinerer Anteil dieser Klinkerphasen im Zement zu einer verminderten Hydratationswärme. Die Mahlfeinheit und der Alkaligehalt bestimmen die Geschwindigkeit der Wärmeentwicklung. Je feiner der Zement aufgemahlen wird, desto reaktiver und mehr Hydratationswärme produziert er. Die gesamte Hydratations-wärme, welche maximal freigesetzt wird, setzt sich aus der Summe der einzelnen freigesetzten Wärmebeiträgen der Klinkerphasen (C3S, C2S, C3A, C4AF, CaO und MgO) zusammen. Die am ersten Tag freigesetzte Wärme ist für die Entstehung von thermisch bedingter Spannung ausschlaggebend.

3.1.4, Hydratationsgrad und Reifefunktion:

Mit dem Thema des Hydratationsgrades und der Reifefunktion haben sich diverse Autoren intensiv beschäftigt und seien als weiterführende Literatur vorab erwähnt.

Der Hydratationsgrad des Zements definiert den Fortschritt der Hydratation zu einem bestimmten Zeitpunkt. Er gibt also den Anteil des Zements an, der schon hydratisieren konnte. Wie alle chemischen Prozesse, ist die Hydratation eine temperaturabhängige Reaktion. Bei hohen Temperaturen läuft sie schneller ab, als bei Niederen. Eine Erhöhung der Reaktionstemperatur um 10 K verdoppelt in der Regel die Hydratations-geschwindigkeit. Dadurch wird bei hohen Temperaturen der gleiche Hydratationsgrad viel früher erreicht, als bei niederen Temperaturen. Ein Abschätzen des Hydratationsgrades aus der reinen Hydratationsdauer ist somit meist nicht sinnvoll. Um den Hydratationsfortschritt auch bei veränderlichen Reaktionstemperaturen vergleichen zu können, ist eine Bezugsgröße notwendig, welche eine Abschätzung unabhängig von Dauer und der Erhärtungstemperatur erlaubt. Man benutzt ein um unterschiedliche Erhärtungs-temperaturen bereinigtes, so genanntes ‘wirksames’ Alter. Betone mit gleichem wirksamen Alter, weisen dann auch den gleichen Hydratationsgrad auf. Das wirksame Alter wird mit der Änderung der Geschwindigkeit des Hydratationsprozesses, bei unterschiedlichen Erhärtungstemperaturen mit einer Reifefunktion bestimmt. Dabei entspricht das wirksame Alter des Betons seinem tatsächlichen Alter, wenn die Hydratation bei konstanten 20°C abgelaufen ist.